單片射頻收發(fā)芯片TRF6901的原理與應(yīng)用

? 摘要：TRF6901是TI公司推出的單片射頻收發(fā)器。該芯片內(nèi)含完整的發(fā)射和接收電路，因而特別適合ISM頻段內(nèi)數(shù)據(jù)的半雙工雙向無(wú)線傳輸。它和TRF6900相比具有發(fā)射功率大、價(jià)格低、適用電壓范圍寬、使用簡(jiǎn)單、外圍器件少等優(yōu)點(diǎn)。文中介紹了TRF6901的結(jié)構(gòu)、原理、特性及應(yīng)用電路。

１　概述

ＴＲＦ６９０１是ＴＩ公司推出的單片低成本射頻收發(fā)器芯片，其內(nèi)部集成了完整的發(fā)射電路和接收電路，可以很容易地組成一個(gè)半雙工射頻連接器。ＴＲＦ６９０１具有多個(gè)頻道，其工作頻率可以編程，頻率范圍為８６０～９３０ＭＨｚ。芯片的供電電壓范圍為１．８Ｖ～３．６Ｖ，射頻輸出功率高達(dá)＋９ｄＢｍ。

ＴＲＦ６９０１的主要特點(diǎn)如下：

● 工作頻率范圍為８６０ＭＨｚ～９３０ＭＨｚ；

● 低功耗，發(fā)射電流最大為４０ｍＡ，接收電流最大為２０ｍＡ，待機(jī)電流最大為４μＡ；

● 可以使用ＯＯＫ和ＦＳＫ兩種調(diào)制方式；

● 集成有頻率合成器和壓控振蕩器；

● 內(nèi)含鎖相環(huán)和參考振蕩器；

● 具有９ｄＢｍ的典型輸出功率；

● 內(nèi)含可編程電池檢測(cè)電路；

● 帶有接收信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)器；

● 具有靈活的３線串行接口，可方便地與微控制器進(jìn)行連接；

● 基準(zhǔn)振蕩器頻率可編程微調(diào)；

● 集成度高，外圍元件少；

● 采用４８腳ＰＱＦＰ封裝，體積小。

圖1

??? ＴＲＦ６９０１和微控制器之間可以通過(guò)１１條引腳連接，若想構(gòu)成低功耗系統(tǒng)，可以選擇ＴＩ公司的ＭＳＰ４３０系列單片機(jī)來(lái)作微控制器。

２ 引腳功能

３ 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

ＴＲＦ６９０１芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖１所示，各部分的功能原理如下：

３．１ 低噪聲放大器和混頻器

ＴＲＦ６９０１內(nèi)部集成的低噪聲射頻放大器采用差分方式輸入，芯片外部的網(wǎng)絡(luò)具有５０Ω阻抗匹配和１８０°相移的作用，可以把輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為相位差為１８０°的兩路信號(hào)并分別輸入到低噪聲放大器的兩個(gè)引腳。該差分電路的輸入阻抗約為５００Ω。

低噪聲放大器的輸出信號(hào)為高頻信號(hào)，為了便于進(jìn)一步放大、解調(diào)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使用混頻器把它變成中頻信號(hào)。該混頻器的本振信號(hào)由片內(nèi)ＰＬＬ控制的ＶＣＯ提供，本振頻率等于接收信號(hào)頻率減去中頻頻率，并可以根據(jù)接收信號(hào)的頻率對(duì)本振頻率進(jìn)行編程控制。

３．２ 濾波器和中頻放大器

為了使整個(gè)接收電路具有良好的選擇性，混頻器的輸出信號(hào)需經(jīng)過(guò)一個(gè)外接的中頻濾波器進(jìn)行濾波。中頻頻率可選１０．７ＭＨｚ，對(duì)應(yīng)的濾波器也可以選擇１０．７ＭＨｚ的三端陶瓷濾波器。濾波器的輸出再輸入到中頻放大器進(jìn)行放大。

中頻放大器同樣采用差分輸入。為了把三端濾波器的輸出信號(hào)變成一個(gè)差模信號(hào)，可在差分電路的兩個(gè)輸入端連接電感以實(shí)現(xiàn)１８０°的相移。中頻放大器包含的增益為６８ｄＢ的限幅放大器可實(shí)現(xiàn)高增益的中頻信號(hào)放大。

３．３ 接收信號(hào)強(qiáng)度指示電路（ＲＳＳＩ）

接收信號(hào)強(qiáng)度指示器的輸出電壓是對(duì)中頻限幅放大器的輸入信號(hào)進(jìn)行整流后得到的直流電壓，其電壓大小和接收到的信號(hào)強(qiáng)弱成正比。ＲＳＳＩ信號(hào)可用作故障檢測(cè)、收發(fā)中的握手信號(hào)以及射頻通道的選擇信號(hào)；在有些應(yīng)用中，它還可以用作ＡＳＫ和ＯＯＫ的解調(diào)信號(hào)。

圖2

??? ３．４ ＦＳＫ解調(diào)電路

限幅放大器的輸出信號(hào)要輸入到解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)，該解調(diào)電路是一個(gè)積分式的ＦＳＫ解調(diào)電路。解調(diào)器的外部必須接一個(gè)和中頻頻率一致的陶瓷鑒頻器或ＬＣ諧振回路，最好使用陶瓷鑒頻器。芯片的內(nèi)部用可編程的電阻和外部鑒頻器并聯(lián)，這樣改變電阻的值就可以微調(diào)鑒頻器的中心頻率?？删幊屉娮璧闹涤尚酒瑑?nèi)Ｄ寄存器的１２～１４位控制，推薦值為１１０。如果外接電路使用ＬＣ回路，Ｌ和Ｃ的值可以根據(jù)公式ｆｒｅｓ＝１／２π（ＬＣ）１／２來(lái)計(jì)算，ＬＣ回路的兩端還可根據(jù)需要并聯(lián)一個(gè)電阻來(lái)降低回路的Ｑ值。

３．５ 數(shù)據(jù)檢測(cè)器

數(shù)據(jù)檢測(cè)器由一個(gè)比較器構(gòu)成。它的輸出由接收信號(hào)和門(mén)限電壓來(lái)確定，門(mén)限電壓存儲(chǔ)在３４腳的外接電容上。當(dāng)３９腳的學(xué)習(xí)／保持控制信號(hào)為高電平時(shí)，存儲(chǔ)電容被接收信號(hào)充電，充電值為高低電平的平均值；而如果３９腳的學(xué)習(xí)／保持控制信號(hào)為低電平，電容上的電壓將緩慢下降，因此，存儲(chǔ)電容必須定時(shí)充電。通常在每次數(shù)據(jù)接收之前，都要用一段訓(xùn)練信號(hào)對(duì)電容充電。外接電容的容量約為信號(hào)周期的萬(wàn)分之一。但是，如果調(diào)制時(shí)的信號(hào)沒(méi)有直流信號(hào)，那么ＴＲＦ６９０１就可以始終工作在學(xué)習(xí)模式，這樣也就不需要訓(xùn)練信號(hào)。

３．６ 頻率合成器

頻率合成器內(nèi)含一個(gè)主分頻器，可用來(lái)對(duì)ＶＣＯ信號(hào)進(jìn)行分頻。主分頻器由一個(gè)５ｂｉｔ的Ａ計(jì)數(shù)器、一個(gè)９ｂｉｔ的Ｂ計(jì)數(shù)器和一個(gè)預(yù)分頻器組成。預(yù)分頻器的分頻數(shù)可以是３２或３３，當(dāng)Ａ計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，預(yù)分頻器的分頻數(shù)為３３，直到Ｂ計(jì)數(shù)器溢出，它又變成３２，因此主分頻器的總分頻數(shù)為：

Ｎ１＝３３×Ａ＋３２（Ｂ－Ａ）

此外，頻率合成器中還有一個(gè)參考分頻器可用于對(duì)基準(zhǔn)晶體振蕩器的振蕩信號(hào)進(jìn)行分頻，該分頻器為８位，最大分頻數(shù)（Ｎ２）為２５５。

上述兩個(gè)分頻器的信號(hào)可同時(shí)輸入到鑒相器。鑒相器的輸出用于控制ＶＣＯ的振蕩頻率。集成電路的３１腳外接一個(gè)和晶體相串聯(lián)的電容，該電容通過(guò)內(nèi)部開(kāi)關(guān)接地，同時(shí)，接地開(kāi)關(guān)又受待發(fā)數(shù)字信號(hào)的控制，這樣，待發(fā)的數(shù)字信號(hào)就可以控制基準(zhǔn)振蕩器的振蕩頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)ＦＳＫ調(diào)制。

３．７ 串行控制接口

ＴＲＦ６９０１有一個(gè)串行接口，用以與微控制器相連，微控制器通過(guò)串行接口對(duì)ＴＲＦ６９０１內(nèi)部的４個(gè)２４位寄存器進(jìn)行編程。

ＴＲＦ６９０１有三個(gè)串行接口，分別是數(shù)據(jù)（ＤＡＴＡ）、時(shí)鐘（ＣＬＯＣＫ）和門(mén)控（ＳＴＲＯＢＥ），門(mén)控信號(hào)用于控制每個(gè)寄存器編程的開(kāi)始和結(jié)束，數(shù)據(jù)的前２位用于選擇寄存器。寄存器的編程時(shí)序如圖２所示。

圖3

??? ３．８ 主要附屬電路

除上述電路外，ＴＲＦ６９０１內(nèi)部還有一些附屬電路，如ＤＣ－ＤＣ、電池檢測(cè)和時(shí)鐘輸出等。其中內(nèi)部ＤＣ－ＤＣ變換器用于實(shí)現(xiàn)升壓。當(dāng)系統(tǒng)供電低于１．８Ｖ時(shí)，可以用它進(jìn)行升壓以為ＶＣＯ和ＰＬＬ供電；而片內(nèi)集成的電池檢測(cè)器可用于電池電量檢測(cè)，檢測(cè)門(mén)限可以由Ｂ寄存器的１、２位設(shè)定；時(shí)鐘輸出電路可將基準(zhǔn)振蕩信號(hào)分頻后輸出，目的是為微控制器提供時(shí)鐘信號(hào)。

４ 應(yīng)用電路

圖３所示是ＴＲＦ６９０１工作在８６０～８７０ＭＨｚ頻段的實(shí)際應(yīng)用電路。為了克服芯片內(nèi)部各單元電路的相互干擾，在供電時(shí)，每個(gè)單元都應(yīng)接阻容退耦電路，設(shè)計(jì)時(shí)可選用１０Ω電阻和０．１μＦ的電容。

ＴＲＦ６９０１的控制端口可以和ＭＰＳ４３０系列單片機(jī)的通用口線直接連接；如果選擇的單片機(jī)具有硬件串口，則可以把ＴＲＦ６９０１的ＴＸ＿ＤＡＴＡ和ＲＸ＿ＤＡＴＡ直接與單片機(jī)的串口相連，這樣可以給編程和調(diào)試帶來(lái)更大的方便。